MECÂNICA E DE MATERIAIS
VAGNER ANDRADE DE OLIVEIRA
PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO DE UM
ESTALEIRO NÁUTICO
DISSERTAÇÃO
CURITIBA 2011
PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO DE UM
ESTALEIRO NÁUTICO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial à obtenção do título de “Mestre em Engenharia” - Área de Concentração em Engenharia de Manufatura.
Orientador: Prof. Luiz Carlos A. Rodrigues, Dr. Coorientador: Prof. Leandro Magatão, Dr.
CURITIBA 2011
Aos meus pais Lázaro e Vilma pelo amor, carinho e constante incentivo ao estudo A minha esposa e amiga Paula, pelo amor e a paciência durante este trabalho e a Deus pela fé
Ao orientador Prof. Dr. Luiz Carlos Abreu Rodrigues, pela orientação e paciência durante este período e também pela amizade, carinho e dedicação por acreditar em minha capacidade na execução deste trabalho.
Ao coorientador Prof. Dr. Leandro Magatão, pela amizade iniciada desde os trabalhos de graduação, e servir de exemplo não só a mim, como a muitos dentro da instituição, além do tempo dedicado, e por acreditar na proposta deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Marcelo Zibetti pela amizade e todo o incentivo e dicas durante o mestrado.
Ao Eng. Cláudio Glock de Souza pela amizade, e pelo auxílio na busca de um parceiro para este estudo.
Ao Eng. José Maria Cechelero pela abertura de sua empresa fornecendo um estudo de caso e acreditar que parcerias entre, empresas privadas e universidades, beneficiam a todos.
Ao Maurício Kazmierczak e ao Mário Kazmierczak pela ajuda na obtenção dos dados e informações do processo produtivo da empresa.
Ao Msc. Rodrigo Strzelecki Berndsen, pela amizade, parceria, e pelo incentivo constante, além da apresentação e indicação do professor orientador.
À instituição e ao PPGEM por proporcionar um ensino de qualidade. À banca examinadora.
Aos meus colegas, pelo grande apoio durante o decorrer do mestrado.
Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2011.
RESUMO
Este trabalho aborda a otimização do planejamento produtivo a curto-prazo de um estaleiro náutico. A atual competitividade deste setor motiva a necessidade do uso otimizado dos recursos fabris. Uma ação nessa direção é implantar sistemas computacionais para auxilio do processo de tomada de decisões operacionais buscando atender pedidos dentro de prazos desejados com uso racional dos recursos produtivos. A matéria prima utilizada é a fibra de vidro, envolvendo assim seus processos de fabricação, na confecção de modelos de produtos que concorrem pela utilização de um número limitado de recursos (e.g. postos de trabalho e moldes de laminação). O objetivo principal é minimizar a ociosidade do posto de trabalho gargalo na fabricação de peças entre um modelo e outro de embarcação. Foi elaborada uma abordagem computacional baseada em Programação Linear Inteira Mista (PLIM), onde o problema original é decomposto em problemas menores, que são facilmente resolvidos. Estes problemas menores consistem em um agrupamento menor de produtos, que foram chamados de campanhas. Após a geração das possíveis campanhas, um modelo matemático permite definir as campanhas que devem ser produzidas para atender à demanda de produtos. Na literatura consultada, evidenciaram-se poucos trabalhos com características similares à realidade da empresa estudada. Os resultados obtidos para as campanhas de produção determinadas e para mix de produção variados indicam que a abordagem proposta é capaz de tratar com sucesso o problema real proposto.
Palavras-chave: Planejamento da Produção, Processo de Fabricação,
Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2011.
ABSTRACT
This work addresses the optimization of short term production planning in a nautical shipyard. The current competitiveness of this sector motivates the need for optimized use of manufacturing resources. An action in this direction is to employ computing systems that can improve the decision making of scheduling activities. It aims to meet the delivery due dates of products with rational use of productive resources. The used raw material is fiberglass, thus involving their manufacturing processes. And the models of products compete for the use of a limited number of resources (eg, workstations and lamination molds). The main objective is to minimize the idleness of the bottleneck workstation in the manufacturing of parts. A computational approach was developed based on Mixed Integer Linear Programming (MILP), where the original problem is decomposed into smaller problems that are easily solved. These smaller problems consist of a smaller cluster of products, which were named as campaigns. After the generation of possible campaigns, a mathematical model allows to define which campaigns should be produced to meet the demand of products. In literature, there are few researches driven to this sector. The results obtained for all the campaigns and for a varied production mix indicate that the proposed approach is able to successfully address this real problem.
Keywords: Production Planning, Manufacturing Process, Mixed Interger Linear
Figura 2.1 – Estrutura de um problema de planejamento, programação e controle da produção de um estaleiro. Fonte: Pinto et al. (2007). ... 10 Figura 2.2 – Características dos sistemas de produção Fonte: Pinto et al. 2007. ... 14 Figura 2.3 - Quadro comparativo dos sistemas de produção Fonte: Pinto et al. 2007. ... 15 Figura 2.4 - Tipos e padrões de demandas. Fonte: Lustosa et al. (2008). ... 20 Figura 2.5 - Previsão de demanda no planejamento da produção. Fonte: Lustosa et
al. (2008). ... 20 Figura 2.6 – Exemplo da propagação de uma falha (vermelho sobre as demais
etapas de fabricação de um produto. Fonte: Rodrigues e Magatão (2006). ... 22 Figura 2.7 - Esquema do modelo de planejamento agregado da produção e
estoques. Fonte: Pinto et al. (2007). ... 28 Figura 2.8 – Exemplo de modelagem de Programação Linear (variáveis de decisão,
dados e função objetivo). Fonte: Pinto et al. (2007). ... 29 Figura 2.9 – Exemplo modelagem de Programação Linear (restrições). Fonte: Pinto
et al. (2007). ... 29 Figura 2.10 – Representação das variáveis empty(j,k) e wait(j,k) com a variável
rank(t,k) ... 36 Figura 3.1 – Tipos de Embarcações Produzidas em Estaleiros. ... 40 Figura 3.2 – Divisão dos Blocos da Estrutura de Produto de um Navio . Fonte:
PINTO et al. (2007). ... 41 Figura 3.3 – Sequência dos processos de fabricação de uma embarcação de fibra de
vidro e seus respectivos sistemas de produção. ... 44 Figura 3.4 – Sequência dos processos de fabricação de uma peça de fibra de vidro e
Figura 3.6 – Modelos de barco de pesca. Fonte: www.waybrasil.com. ... 48 Figura 3.7 - Divisão das partes principais de um barco de pesca. ... 49 Figura 3.8 – Dimensões principais e representação da vista superior dos blocos de
uma embarcação analisando a perda de área (escuro) no plano de arranjo físico 2D. ... 50 Figura 3.9 – Relação de precedência de todas as tarefas de fabricação de um barco
de pesca. ... 51 Figura 3.10 – Relação de precedência de todas as tarefas de fabricação de um
barco de pesca. ... 52 Figura 4.1 - Metodologia de desenvolvimento do trabalho. ... 56 Figura 4.2 – Detalhamento das etapas e suas equações de processamento. ... 57 Figura 4.3 - Representação da Interface com o Usuário do Aplicativo de
Programação da Produção. Fonte: Autoria Própria ... 71 Figura 4.4 – Exemplo de entrada de dados da demanda dos produtos na Interface
com o Usuário. ... 71 Figura 5.1 - Alocação das tarefas de produção das peças do modelo de embarcação
Q268. ... 75 Figura 5.2 - Alocação das tarefas de produção das peças do modelo de embarcação
Q290. ... 77 Figura 5.3 - Alocação das tarefas de produção das peças do modelo de embarcação
Tabela 2.1 – Regras usuais para sequenciamento de tarefas. Fonte: Lustosa et al.,
2008). ... 18
Tabela 3.1 – Relação do agrupamento das tarefas, ... 53
Tabela 4.1 – Índices adotados nas expressões matemáticas. ... 58
Tabela 4.2 – Variáveis adotadas nas expressões matemáticas. ... 58
Tabela 4.3 – Parâmetros adotados nas expressões matemáticas. ... 59
5´S Ferramenta do Sistema Toyota de Produção
ACOBAR Associação Brasileira dos Construtores de Barcos e seus Implementos ATO Assembly to Order
CPM Critical Path Method CR Critical Ratio
ERP Enterprise Resources Planning ETO Engeneering to Order
FCS Continuous Flow System FIFO First in, First Out
JIT Just in Time LIFO Last in, First Out
LS Least Slack
MFA Menor Fila Adiante MFD Menor Folga Dinâmica
MILP Mixed Integer Linear Programming MRP Material Resources Planning
MRPII Manufacturing Requirements Planning MTO Make to Order
MTS Make to Stock
OPT Optimized Production Technology PCP Programação e Controle da Produção PERT Program Evaluation Review Technique
PLIB Programação Linear Inteira Binária PLIM Programação Linear Inteira Mista
PPCPE Planejamento, Programação e Controle da Produção de um Estaleiro PT Posto de Trabalho
RC Tempo Remanescente SPT Shortest Process Time STP Sistema Toyota de Produção
RESUMO ... vi
ABSTRACT ... vii
LISTA DE FIGURAS ... x
LISTA DE TABELAS ... xi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... xii
LISTA DE SÍMBOLOS ... xiii
1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA ...3 1.2 OBJETIVO ...4 1.2.1 Objetivos Específicos ...4 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ...5 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6
2.1. CARACTERÍSTICAS DO SETOR NÁUTICO NO BRASIL ...7
2.1.2 Indústria Náutica ...8
2.2 ESTRUTURA GERAL DE UM PROBLEMA DE PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO DE UM ESTALEIRO ...9
2.2.1 Natureza das Decisões dentro do Planejamento e Programação da Produção de um Estaleiro 10 2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE PRODUÇÃO ... 12
2.3.1 Classificação dos Sistemas de Produção Orientada ao Estoque ... 12
2.3.2 Classificação dos Sistemas de Produção Orientados ao Padrão de Demanda ... 13
2.4 PLANEJAMENTO E PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO ... 17
2.4.1 Programação da Produção Intermitente ... 17
2.4.2 Previsão e Planejamento de Demanda ... 19
2.5 ALOCAÇÃO DOS RECURSOS ... 21
2.6 CONCEITOS DE BASE DE PROGRAMAÇÃO MATEMÁTICA ... 23
2.7 PROGRAMAÇÃO MATEMÁTICA APLICADA AO PLANEJAMENTO AGREGADO DE PRODUÇÃO ... 26
2.7.1 Planejamento Agregado de Produção e Estoques ... 27
2.8 MODELAGEM PARA PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO EM UM ESTALEIRO NÁUTICO 30 2.9 ANÁLISE DE FERRAMENTAS DE PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO EM ESTALEIROS ... 32
2.9.1 Programação da Produção no Cenário de Estudo ... 33
2.10 ABORDAGENS DA LITERATURA PARA O SEQUENCIAMENTO DA PRODUÇÃO . 34 2.10.1 Modelo Proposto por Guéret et al. (2000) ... 34
2.10.2 Definição do Início do Processamento ... 36
3. ESTUDO DE CASO ... 38
3.1 DEFINIÇÕES DO ESTALEIRO E DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO . 38 3.1.1 O Mercado de Embarcações ... 38
3.2.1 Definições das partes ... 48
3.2.2 Relações de Precedência... 51
3.2.3 Tempos de Processamento... 53
4 MATERIAL E MÉTODOS ... 55
4.1 REPRESENTAÇÃO DO PROBLEMA ... 56
4.2 FORMULAÇÃO MATEMÁTICA PROPOSTA PARA A PRIMEIRA ETAPA ... 57
4.2.3 Restrições de Temporização das Peças ... 61
4.2.4 Restrições de Temporização dos Produtos ... 64
4.2.4 Restrições de Temporização dos Produtos ... 66
4.3 ABORDAGEM PROPOSTA PARA A SEGUNDA ETAPA ... 66
4.3.1 Pós-Processamento da Temporização das Tarefas ... 69
4.4 INTERFACE COM O USUÁRIO ... 70
5 RESULTADOS ... 73
5.1 O USO DE CAMPANHAS: PRIMEIRA ETAPA DO SISTEMA PROPOSTO ... 73
5.1.1 Campanhas com Duas Unidades De Produtos... 81
5.1.2 Campanhas com Três Unidades De Produtos ... 87
5.2 SEGUNDA ETAPA DO SISTEMA PROPOSTO ... 96
5.2.1 Cenário 1: Demanda de 7 Unidades ... 96
5.2.2 Cenário 2: Demanda de 14 Unidades ... 98
6 CONCLUSÕES ... 101
6.1 PROPOSTA PARA TRABALHOS FUTUROS ... 102
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 104
APÊNDICES ... 106
APÊNDICE A – ESTRUTURA DE PRODUTO DO MODELO Q268 ... 107
APÊNDICE B – ESTRUTURA DE PRODUTO DO MODELO Q290 ... 108
APÊNDICE C – ESTRUTURA DE PRODUTO DO MODELO QZ21 ... 109
ANEXOS ... 110
ANEXO A – RELAÇÃO DE PRCEDÊNCIA DAS TAREFAS (Q268) ... 111
ANEXO B – RELAÇÃO DE PRECEDÊNCIA DAS TAREFAS (Q290) ... 112
1 INTRODUÇÃO
A eficiência operacional dos complexos processos de fabricação de embarcações tem atraído um crescente interesse em pesquisas nos últimos anos. Este tipo de indústria está em grande expansão, imersa em uma série de mercados globais de alta competitividade que são caracterizados por serem extremamente dinâmicos.
Esta situação obriga as instalações dos estaleiros em focar seus esforços em atender seus clientes com produtos de qualidade a preços acessíveis, e com um prazo mínimo de entrega, buscando-se cada vez mais baixos tempos de processamento. Devido a complexidade construtiva das embarcações, via de regra de grande porte, ocorre a divisão produtiva em blocos menores.
A fabricação dos blocos é realizada para então iniciar a execução de submontagens e montagens de edificação da embarcação. Uma característica inerente ao processo de fabricação de uma embarcação é que os blocos possuem elevado peso e utilizam áreas de trabalho consideráveis, a falta de sincronia na execução das tarefas pode gerar atrasos na entrega do produto e ocasionar movimentação desnecessária no deslocamento de grandes peças, elevando assim o custo do produto.
O planejamento e programação da produção de um estaleiro não devem ser executados sem o auxilio de ferramentas adequadas aos planejadores, devido à quantidade e complexidade das tarefas. Entretanto, mesmo quando planejadores possuem demasiada experiência na execução de planejamentos/programações, essas tarefas podem consumir grande quantidade de tempo e grandes esforços para produzir apenas resultados satisfatórios.
Embora, em alguns casos, haja gerenciamento dos recursos através da automação do processo de planejamento e programação da produção, estas atividades ainda são problemas críticos para a melhoria da produtividade em estaleiros.
A semelhança da indústria naval com a indústria náutica, motiva o desenvolvimento de uma ferramenta de programação da produção das tarefas de fabricação e montagem de embarcações.
A intenção deste trabalho é analisar as características inerentes aos processos de fabricação de embarcações de fibra de vidro (Setor Náutico) e conciliar pesquisas
recentes sobre planejamento e programação das tarefas de produção em ambientes produtivos semelhantes.
A manufatura de embarcações náuticas em fibra de vidro caracateriza-se por apresentar os sistemas de produção intermitente repetitivo na fabricação das peças em fibra de vidro (blocos), e um sistema de produção intermitente sob encomenda nas operações de montagem. Esta caracterização é detalhada no Capítulo 2. No estudo de caso real, a identificação de um posto de trabalho gargalo dentro destes sistemas de produção permite a exploração de um melhor sequenciamento das ferramentas (moldes) necessário para a fabricação dos blocos principais que compõe uma embarcação. Se houver atrasos na fabricação das peças, essa situação é propagada para as demais tarefas de fabricação e montagem da embarcação.
O estudo do planejamento e programação da produção nos setores naval e náutico dentro da literatura brasileira e mundial ainda é escasso. Geralmente é restrito a alguns resultados de parcerias realizadas entre universidades e empresas do ramo naval, focado para produção de embarcações de grande porte. Por exemplo, o Daewoo1, um dos maiores estaleiros do mundo localizado na Coréia do
Sul, realizou uma parceria com o Instituto de Ciência e Tecnologia Avançado Coreano para desenvolver um sistema de auxílio às tomadas de decisão das atividades de planejamento e programação das tarefas de produção e do arranjo físico de determinadas áreas dentro do estaleiro. Os resultados dos estudos coreanos de KOH et al. (2008), LEE et al. (1997) e PARK et al. (1996) fazem acreditar que soluções similares podem ser empregadas na solução de problemas semelhantes em indústrias brasileiras do setor náutico e naval.
Os indícios de uma possível elevação de demanda da produção nos estaleiros brasileiros geram a necessidade de manter o mesmo nível tecnológico frente aos competidores internacionais na produção de embarcações e grandes estruturas. Este estudo objetiva propor uma abordagem de solução para um problema do setor náutico que possui características semelhantes a problemas tratados no planejamento e programação da produção de outros estaleiros.
Devido à fragmentação deste setor em diversas indústrias verifica-se que pouco se tem feito para promover um aumento da produtividade das empresas
1 Daewoo Shipbuilding Co. – Um dos maiores estaleiros de embarcações navais de todo o mundo, localizado na Coréia
responsáveis pela fabricação das embarcações náuticas que irão auxiliar a utilização dos grandes navios e das plataformas de petróleo em alto mar, como também no auxílio de fabricantes de embarcações destinadas a prática do lazer e do turismo. No Brasil é possível perceber que este mercado vem crescendo cada vez mais no decorrer dos anos, na fabricação de embarcações para diversas funções, de produção seriada ou não. Este segmento de apoio é classificado como foco inicial da retomada recente da indústria naval brasileira. (RUAS et al. 2009)
Os objetivos do planejamento e programação da produção podem ser variados. Em geral, sistemas de planejamento e programação da produção perseguem objetivos de satisfação da data de entrega, máxima utilização de recursos de mão de obra e máquinas, minimização de tempos de espera entre as tarefas de processamento de uma embarcação e inventário de produto final, bem como minimizar os custos de fabricação.
As restrições típicas a este planejamento incluem a capacidade dos postos de trabalho, disponibilidade hora-homem, prazo de entrega, precedência entre as tarefas, tempos de espera máximos aceitáveis para fabricação dos blocos e operações de montagem e acabamento.
Como consequência, utilizar a estratégia de desenvolvimento de um eficiente sistema de planejamento de curto-prazo torna-se uma das alternativas para alcançar competitividade, respondendo rapidamente às oscilações de demanda do mercado.
1.1 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA
O estaleiro náutico abordado produz embarcações por meio da laminação em fibra de vidro. No caso estudado, cerca de 10 a 20 embarcações são produzidas mensalmente. As ordens de produção são geradas no momento do uso com base em políticas ou modelos de reposição. Ao concretizar o pedido de compra do cliente, a ordem é enviada ao programador de produção. Assim, as demandas variam conforme a quantidade a ser produzida e ao modelo de embarcação requerida.
A dimensão de alguns moldes e peças faz com que o fluxo produtivo seja interrompido diversas vezes para disponibilizar espaço suficiente para a produção. Essas interrupções geram um transtorno grande para a eficiência de produção e para a entrega das peças no prazo determinado. Dificultando a utilização em máxima eficiência do posto de trabalho gargalo.
Existe, assim, um desafio de realizar um bom planejamento e programação da produção. Possíveis interrupções geram ineficiência dos postos de trabalho do processo produtivo.
No problema abordado, o fluxo de trabalho envolvendo as ferramentas de fabricação dos blocos (fluxo de moldes) precede o fluxo de peças de montagem. Assim, interrupções em processos em que ferramentas estejam envolvidas impactam em operações seguintes, fato que é detalhado na subseção 2.5 e ilustrado na figura 2.7.
1.2 OBJETIVO
Este trabalho objetiva propor uma abordagem de solução otimizada para o planejamento e programação da produção de um estaleiro náutico, auxiliando o processo de tomadas de decisões operacionais. Adicionalmente, objetiva-se que a abordagem de solução proposta apresente soluções otimizadas para estudos de caso reais.
1.2.1 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos principais do trabalho são a seguir elencados:
• Encontrar um estudo de caso real, onde a abordagem de solução possa ser analisada, desenvolvida e testada. No Brasil, de modo geral, estaleiros náuticos possuem origem familiar e sequer utilizam ferramentas disponíveis para controle da produção. Assim, abordagens de otimização da produção não são usuais no contexto abordado, havendo necessidade de uma “quebra de paradigma”;
• Realizar a coleta de parâmetros de entrada de conjunto de modelos de embarcações de um estaleiro real, observando-se as características do sistema produtivo. Esta premissa de pautar o trabalho em um estudo de caso real onera consideralvelmente a carga de trabalho desta dissertação, demandando a coleta in loco das informações necessárias à abordagem proposta;
• Fragmentar o complexo sistema de produção de embarcações náuticas, além de caracterizar as variáveis envolvidas e equacioná-las por meio de um modelo matemático de planejamento e programação da produção. Nesta dissertação,
algumas expressões do modelo foram extraídas de Guéret et al. (2000). O modelo matemático proposto utiliza como benefício à existência de um gargalo produtivo;
• Desenvolver uma interface gráfica de auxílio à caracterização das soluções obtidas, demonstrando a temporização inicial e final das tarefas necessárias à confecção de todas as peças em fibra de vidro para cada modelo do conjunto de embarcações náuticas do problema real analisado.
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Este capítulo inicial introduz e conceitua, de forma sucinta, a proposta do presente trabalho.
Na sequência, o Capítulo 2 de Revisão Bibliográfica, descreve trabalhos que contextualizam e auxiliam o entendimento do problema abordado, apontando-se fontes bibliográficas para eventuais aprofundamentos.
O Capítulo 3, nominado Estudo de Caso, detalha características do estaleiro náutico real abordado, seus produtos, processos de fabricação e características de operação.
No Capítulo 4, Material e Métodos, a metodologia de pesquisa aplicada nesta dissertação é esboçada. Apresenta-se a abordagem de solução desenvolvida, a qual é baseada em um modelo de Programação Linear Inteira Mista (PLIM), e a aplicação desta abordagem em um estudo de caso real. Este estudo envolve a programação das tarefas de fabricação de peças em fibra de vidro de embarcações náuticas do estaleiro descrito no Capítulo 3.
O Capítulo 5, Resultados, apresenta saídas gráficas provenientes de interface desenvolvida para o usuário do sistema, resultados computacionais e discussões a partir de saídas obtidas, geradas a partir de dados reais do estaleiro em estudo.
Por fim, no Capítulo 6 são apresentadas as conclusões sobre o trabalho desenvolvido, incluindo-se sugestões de continuidade para trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Durante anos observou-se a estagnação da indústria marítima brasileira. A falta de investimentos no setor obrigou estaleiros nacionais a produzir barcos e navios, somente quando estaleiros estrangeiros não possuíam capacidade em suas instalações ou quando não possuíam interesse em projetos com baixa demanda, resultando, assim, em uma baixa atividade econômica do setor no país (BNDES, 2002; DIEESE, 1998).
A partir dos anos 80 e 90 poucas empresas do setor arriscaram-se a investir na produção de barcos e navios para utilização do mercado interno. Recentemente, a descoberta de novas reservas de petróleo em alto mar no Brasil, segundo dados da Agência Nacional do Petróleo (ANP, 2006), fez com que os investimentos fossem retomados, reaquecendo o setor e gerando a expectativa de melhores cenários em um futuro próximo. Dessa forma, tornam-se iminente a produção de novos projetos em território nacional, projetos que envolvem navios de transporte de carga, ou barcos que auxiliam a execução das atividades do setor petrolífero até embarcações de lazer. Diversos estaleiros brasileiros estão em crescente busca por melhor eficiência de seus processos produtivos e este provável aumento da produção da indústria naval tem sido objeto de análise de gerências de muitas organizações deste segmento.
O setor da construção naval e marítima é considerado como um setor estratégico. Suas atividades de controle nacional de rotas, frotas e estaleiros podem fazer parte também da estratégia de segurança de países, bem como proporcionar uma atividade altamente lucrativa e vital no desenvolvimento da economia de uma nação.
Devido à fragmentação deste setor em diversas indústrias verifica-se que pouco se tem feito para promover um aumento da produtividade das empresas responsáveis pela fabricação de embarcações náuticas, as quais auxiliam o uso de grandes navios e plataformas de petróleo em alto mar, além de serem destinadas a lazer e turismo. No Brasil é possível perceber que este mercado vem crescendo cada vez mais no decorrer dos anos, na fabricação de embarcações para diversas
funções, de produção seriada ou não. Este segmento de apoio é classificado como foco inicial da retomada recente da indústria naval brasileira (RUAS et al., 2009).
Segundo Coutinho et al. (2006), o setor de construção naval, similarmente ao setor náutico, emprega uma quantidade enorme de trabalhadores e promove a demanda de diversos outros segmentos na cadeia de suprimentos navais. Além disto, os países que disputam o mercado mundial no setor direcionam seu foco cada vez mais na necessidade de um corpo técnico capacitado para o segmento, focando na pesquisa, desenvolvimento e projeto de novos produtos e novas estratégias organizacionais e produtivas. Segundo Weiss (1990), a competitividade das empresas navais é proveniente de sua capacidade de gestão do processo produtivo, já que necessitam de mão de obra qualificada e treinada para maior integração com sua cadeia de suprimentos. Essa mão de obra dentro da indústria marítima nacional é encontrada em três segmentos de processos que atuam na fabricação de embarcações. Assim, de acordo com Weiss (1990), destacam-se os mercados de:
I) Construção naval para navios de grande porte e para transporte de pessoas e objetos;
II) O mercado da indústria de construção naval militar; e,
III) O mercado da indústria de construção náutica, onde são fabricados barcos menores para auxiliar o transporte da tripulação dos navios, e também embarcações de lazer.
O objeto de estudo da presente dissertação classifica-se no segmento de mercado de construção náutica. Características principais deste segmento de embarcações serão elencadas na subseção 2.1.
2.1. CARACTERÍSTICAS DO SETOR NÁUTICO NO BRASIL
Este setor engloba atividades que são uma importante fonte de emprego e renda e se desenvolve continuamente para suprir as necessidades crescentes da náutica e do turismo náutico no Brasil e no mundo.
Segundo o relatório da ACOBAR (2005), o segmento náutico no Brasil tem sua origem na criação de pequenos estaleiros. Apenas entre as décadas de 70 e início
de 80 o setor começa a ganhar ares mais sólidos para a consolidação desse mercado no cenário nacional. Neste período, inicia-se a fabricação profissional das embarcações por estaleiros especializados, assim como empresas que abasteciam o mercado de insumos e acessórios.
O crescimento vertiginoso deste segmento é evidenciado na década de 90 na abertura do mercado nacional. Logo no início desta abertura de mercado, o segmento náutico nacional insere-se na avaliação das melhores práticas de processos, produtos e tecnologias internacionais empregadas no setor náutico industrial. Com isso, várias adaptações foram implantadas nos fabricantes nacionais que contribuíram para a evolução do setor e aumento da competitividade dos produtos nacionais frente aos produtos importados (MOURA, 2008).
A frota nacional em embarcações de esporte e lazer está estimada em cerca de 53.000 unidades, mas levando em consideração apenas embarcações acima de 14 pés, que corresponde a aproximadamente 4,30 metros. Nesta classificação estão inclusos embarcações movidas à vela e a motor, pequenos barcos de apoio, monotipos e barcos de competição offshore. Aproximadamente 85% da frota nacional de esporte e lazer, é composta por embarcações de até 32 pés, correspondem a aproximadamente 9,75 metros. Esses números são oriundos de estudos realizados pela Associação Brasileira dos Construtores de Barcos e seus Implementos, em marinas, iates-clubes, estruturas de apoio náutico, fábrica e revendedores de todo o segmento náutico brasileiro no ano de 2005 (ACOBAR, 2005).
2.1.2 Indústria Náutica
Os estudos de estratégia competitiva relatados por Porter (1980) caracterizam que nos Estados Unidos a indústria de embarcações de fibra de vidro, material de uso comum na maioria das indústrias brasileiras do segmento náutico, é um típico exemplo de uma indústria fragmentada. Ou seja, é uma atividade onde a quantidade de produtores é alta e onde a concentração da produção por poucas empresas é improvável.
Tipicamente, no entanto, cada país, ou região, tem os seus modelos de embarcações características que atendem aos requisitos específicos de seus modelos culturais, formas e maneiras de uso, além do clima e da geografia locais.
No caso brasileiro, a indústria de embarcações, caracterizadas como um bem de consumo semidurável sofre grandes variações de demanda. Somam-se à variação sazonal anual da demanda, onde as vendas tendem a ser maiores em meses mais quentes e nos períodos que antecedem férias escolares, variações relativas aos desequilíbrios da economia e ainda efeitos de período. Devido à grande variedade de modelos, e à variação da demanda, os sistemas de produção utilizados pelos estaleiros são complexos, fato que dificulta o planejamento e a programação da produção.
Na indústria naval e náutica, as empresas estão cada vez mais propensas a despender esforços para aplicar novos conceitos produtivos, baseados em técnicas de otimização, ao processo de fabricação de barcos, navios e grandes estruturas como, por exemplo, plataformas de petróleo.
Com isso, a busca por ferramentas que auxiliem as decisões do planejamento e programação de produção, transforma-se em fator inestimável dentro do processo de edificação de uma embarcação.
2.2 ESTRUTURA GERAL DE UM PROBLEMA DE PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO DE UM ESTALEIRO
Planejar é executar uma ação a fim de evitar eventuais desvios no futuro. Em uma abordagem top down, as decisões de alto nível tendem a ser de longo prazo e mais abrangentes além de serem tomadas anteriormente às decisões de níveis inferiores, pois estas possuem horizonte temporal menor e maior detalhamento.
O trabalho realizado por Pinto et al. (2007) do Centro de Estudos de Gestão Naval, da Universidade de São Paulo, indica que o problema de planejamento e programação da produção de um estaleiro é abordado de forma análoga à realizada em empresas do setor metal-mecânico. Em um primeiro momento é necessário analisar conceitos de longo prazo, chamados de estratégicos.
As decisões referentes à estratégia de planejamento direcionam as definições de médio prazo, chamado planejamento tático. Este, por sua vez, direciona as
decisões de nível operacional, de prazo curto e maior detalhamento. O setor de Planejamento, Programação e Controle da Produção de um Estaleiro (PPCPE) se enquadra no planejamento tático e operacional, deixando, o planejamento estratégico global e das funções para pessoas da alta administração. A figura 2.1, ilustra a hierarquia de planejamento.
Dentro desta hierarquia de planejamento, será apresentada a seguir (seção 2.2.1) uma breve descrição de filosofias, métodos, váriaveis e soluções que regem a eficiência e precisão do planejamento e programação de sistemas produtivos, com base nos trabalhos de diversos autores.
Figura 2.1 – Estrutura de um problema de planejamento, programação e controle da produção de um estaleiro. Fonte: Pinto et al. (2007).
2.2.1 Natureza das Decisões dentro do Planejamento e Programação da Produção de um Estaleiro
Em um planejamento define-se onde se quer chegar, o que deve ser feito, quando fazer, como fazer e em que sequência executar o trabalho. Os conceitos tradicionais de planejamento estratégico originaram-se na área militar e no século XX começaram a ser executados no mundo empresarial.
Dentro de uma empresa, as principais diretrizes, decisões, metas e objetivos de longo prazo fazem parte da estratégia competitiva. A partir dela é realizado o planejamento estratégico global, definindo quais são os clientes e quais necessidades serão atendidas pelo bem ou serviço ofertado.
Os diversos setores dentro de uma empresa devem cumprir os objetivos, políticas e procedimentos orientados pela estratégia competitiva. Determinam-se, assim, estratégias para cada um dos setores quanto ao planejamento de suas
funções. O corpo administrativo da empresa é responsável por garantir a execução desta estratégia e coerência prática das decisões tomadas nos diversos níveis e setores. Diversos processos decisórios de planejamento e programação da produção cooperam e atuam em diferentes níveis dentro de uma empresa. A seguir, será apresentada uma lista de decisões no escopo de cada nível hierárquico da estratégia de produção, segundo (LUSTOSA et al., 2008):
No nível Estratégico:
Qual é a demanda do mercado?
Qual a estratégia organizacional para atender as demandas do mercado? Qual é a capacidade da planta a ser instalada?
Como implantar a gestão da produção? (tecnologia, instalações, financiamento, etc.)
Quais riscos inerentes a operação que impactam no custo?
Que indicadores de desempenho devem ser empregados para o planejamento e o controle dos sistemas de produção?
Qual o composto (ou mix de produtos a ser produzido? Qual o valor agregado ao cliente (e aos acionistas)?
No nível Tático:
Que políticas de produção podem ser empregadas? Exemplo: variação da mão de obra? Produção a uma taxa constante? Minimizar Estoques? Aceitar atraso nas entregas?
Quais os referenciais de excelência para orientar as premissas de projeto e de operação para processos e produtos?
Quais os insumos necessários (pessoas, instalações, materiais, fornecedores, etc.)?
Que processos irão compor o sistema produtivo?
Qual a organização do Planejamento e Controle da Produção?
Qual o tipo do sistema de produção? Empurrar a produção? Puxar? Gerenciar Gargalos?
Qual o tipo de organização da produção? Qual é o tipo de arranjo físico?
Qual o preço final e os custos de produção? Qual a qualidade do produto ou serviço? Qual o grau de flexibilidade da produção?
Qual o espaço necessário para produzir determinada demanda?
No nível Operacional:
Qual o tamanho do lote? Quando deve ser produzido?
Em qual máquina deve ser produzido?
Qual o sequenciamento da produção nas máquinas?
A dificuldade em realizar um bom planejamento e programação das tarefas de produção depende da variedade de produtos a se fabricar e da quantidade a se produzir.
Dessa forma, é importante destacar que cada tipo de sistema de produção possui métodos, ferramentas e maneiras diferentes de tratar a programação da produção e o planejamento do espaço físico para execução das tarefas de fabricação dos produtos. No setor naval e náutico, identificam-se, majoritariamente, os sistemas de produção por projetos e intermitente (Por ordem, Por Lotes e Em Linha). A subseção 2.3 detalha estes sistemas de produção.
2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE PRODUÇÃO
Existem algumas maneiras de classificar os sistemas de produção. Neste estudo são utilizados os critérios orientados à relação de estocagem do produto, e ao padrão de demanda e fluxo de produção.
2.3.1 Classificação dos Sistemas de Produção Orientada ao Estoque
Uma maneira de classificar o sistema de produção de uma empresa é caracterizar a posição dos estoques que compõe o processo produtivo, além de informar sobre a complexidade do fluxo de materiais. Orientado por critérios baseados em condições de estocagem, Lustosa et al. 2008 apresentam a classificação a seguir elencada:
MTS – Make to Stock: Significa “produzir para estoque”. São produtos
padronizados, com rápido atendimento ao cliente. O sistema baseia-se fortemente em previsões de demanda e apresenta alto custo de estoque. Exemplos: produtos de prateleira e de consumo geral.
ATO – Assemble to Order: Significa “montagem sob encomenda”. São
(ou módulos) que serão posteriormente montados de acordo com o pedido do cliente. Tal característica pode levar à diferenciação, com aumento da variabilidade. Possuem prazo médio de atendimento ao cliente, incidindo custos razoáveis de estoque. Exemplo: computadores pessoais.
MTO – Make to Order: Significa “produzir sob encomenda”. A etapa de
produção só se inicia após o recebimento formal do pedido do cliente. O prazo de atendimento é alto, e os estoques concentram-se no início da cadeia (entradas do processo).
ETO – Engineer to Order: Significa “engenharia sob encomenda”. É
aplicado a projetos dos quais o cliente participa desde o início, antes mesmo da colocação do pedido. Não há estoque de matéria prima antecipada, até mesmo porque, na maioria das vezes, a definição da matéria-prima faz parte do projeto. A complexidade do fluxo de materiais é altíssima, pois a variabilidade é alta e o volume baixo. O prazo de entrega é muito longo. Os custos com estoque em processo costumam ser elevados, dada a dificuldade de sincronismo na cadeia produtiva. Exemplo: construção de navios, obras públicas.
Portanto, o padrão de forma de chegada dos pedidos define a maneira como deve ser analisado e programado o sistema de produção. Em estaleiros é comum encontrar a forma ATO (Assembly to Order) e ETO (Engineer to Order).
2.3.2 Classificação dos Sistemas de Produção Orientados ao Padrão de Demanda
As formas básicas de produção em um sistema de manufatura podem ser classificadas conforme Pinto et al. (2007): produção contínua, produção
intermitente (repetitiva ou sob encomenda) e produção por projetos. A
determinação da melhor forma de produção é função do padrão da demanda, características do produto, tecnologias disponíveis, tipo de fluxo de produção, entre outros.
Os tipos de fluxo de produção utilizados majoritariamente por empresas do setor que trabalham com produção intermitente (repetitiva ou sob encomenda) são de acordo com (PINTO et al., 2007):
i) flow-shop, onde o arranjo físico é sequencial e o roteiro de produção é bem
definido;
ii) job-shop, onde o processo é muitas vezes irregular, ocorrendo retornos ou repetição de ordens de operações numa mesma máquina
Nas empresas que utilizam sistemas de produção por projetos, o produto a ser manufaturado é único ou de muito baixa demanda. Neste caso, via de regra, não é permitido estoque ao final da produção, sendo um sistema de difícil planejamento na organização das inúmeras atividades. A figura 2.2 ilustra as características principais dos sistemas de produção contínua, intermitente e por projetos.
A figura 2.3 apresenta um comparativo os sistemas de produção contínua, intermitente e por projetos, ilustrando a importância de algumas variáveis envolvidas acerca de cada um dos sistemas de produção.
Figura 2.3 - Quadro comparativo dos sistemas de produção Fonte: Pinto et al. 2007.
Com base nos estudos realizado por Pinto et al. (2007) por serem dirigidos à indústria naval, as subseções 2.3.2.1, 2.3.2.2 e 2.3.2.3 descrevem os tipos de sistemas de produção identificados pelos autores, os quais aplicam-se à realidade produtiva de estaleiros. Há de se lembrar, contudo que em uma indústria de fabricação de embarcações é possível encontrar combinadamente a utilização de mais de um sistema de produção no processo produtivo da embarcação.
2.3.2.1 Modelagem em sistemas de produção por projetos
Este tipo de sistema objetiva minimizar o tempo de projeto. Deve-se respeitar os limites de utilização dos recursos, programando as atividades do projeto em função das necessidades do cliente e dos recursos disponíveis. Geralmente, a execução deste tipo de sistema é única ou envolve poucas unidades de produto. Deve ser dada bastante atenção às datas de execução das atividades (ou tarefas), principalmente as que fazem parte do caminho crítico de produção.
2.3.2.2 Modelagem em sistemas de produção intermitente repetitiva
Ocorre quando a produção é realizada de maneira descontínua, por meio de ordens processadas em diversas máquinas ou em células de manufatura. A
produção dessas ordens é feita em lotes, obtendo-se maior volume de produção e padronização que nos sistemas de produção intermitente sob encomenda. Devido à sua complexidade e diversificação do mix de produção, há um número elevado de diferentes tempos de fabricação e trocas de ferramentas a serem observados. Estas diferenças de tempos podem ser oriundas de, por exemplo, processamento de tarefas distintas em um mesmo posto de trabalho. Assim, é importante observar as datas de início e fim do processamento de cada tarefa, necessitando-se de critérios e métodos de sequenciamento das ordens nos postos de trabalho.
Dependendo da configuração do sistema e do roteiro de produção, pode-se classificar esses sistemas em flow-shop ou job-shop. Em sistemas job-shop cada tarefa tem seu próprio roteiro pré-definido, podendo ocorrer vários retornos para uma etapa (ou posto de trabalho) anterior. Os sistemas flow-shop, possuem o roteiro de fabricação fixo, e sem retornos, formando a lógica de “linha de produção”. A formação de estoques intermediários ou formação de fila entre estações pode ocorrer tanto no job-shop quanto no flow-shop.
Assim, sequenciamentos, produtivos otimizados podem diminuir tempos de espera para a execução de tarefas, fato relevante, principalmente em um recurso gargalo, ou seja, aquele que dita o ritmo de todo o sistema. Contudo os problemas a serem abordados tendem a ser complexos de serem resolvidos, envolvendo um número elevado de possibilidades de soluções.
2.3.2.3 Modelagem em sistemas de produção intermitente sob encomenda
Neste sistema, a fabricação ocorre somente por encomendas e o produto final não é estocado. Assim, possui um volume de produção menor e um grau de customização alto em relação aos sistemas por projetos e por produção intermitente repetitiva.
Quando é recebida uma encomenda, ela atua como um disparo para a linha de produção, tendo o mesmo efeito de uma ordem de produção. Se há muitas ordens de produção a serem feitas, a programação da produção deve ser capaz de sequenciar de maneira eficiente uma produção intermitente repetitiva. A utilização de uma lista FIFO (First in, First Out) acaba sendo assumida como um padrão.
2.4 PLANEJAMENTO E PROGRAMAÇÃO DA PRODUÇÃO
Conhecidas as políticas de gerenciamento e as naturezas de decisões, deve-se definir os recursos necessários à produção de um determinado produto. Adicionalmente deve ser realizada a programação (agendamento) das tarefas necessárias à produção do mesmo. Isto é, definir quando e onde executar cada tarefa de modo que estas execuções não comprometam os prazos de entrega.
Desta forma evidencia-se que a programação da produção é uma atividade operacional, ou seja, que apresenta detalhamentos sobre as atividades a serem realizadas no chão de fábrica. No caso de estaleiros que produzem embarcações de maneira seriada, destaca-se o sistema de produção intermitente repetitiva para fabricação das peças da embarcação e o sistema de produção intermitente sob encomenda para as tarefas de montagem.
2.4.1 Programação da Produção Intermitente
Lustosa et al. (2008) indicam que no sistema de produção intermitente é possível encontrar diferentes tipos de decisões referentes à programação das tarefas, conforme a seguir elencado:
1. Designação (assignment): Determinação de onde (ou quem) executará a tarefa. 2. Sequenciamento (sequencing) Determinação da sequência (ou ordem) em que as
tarefas devem ser executadas em um dado recurso.
3. Programação (scheduling): Determinação de quando a tarefa deverá ser iniciada e terminada, não apenas a sequência.
4. Despacho (dispatching): Quando e para quem (processador) a ordem deverá ser emitida (ou liberada).
5. Controle (control): Acompanhamento dos trabalhos para garantir que a programação se mantenha válida e determinação de eventuais necessidades de intervenção ou de reprogramação.
6. Apressamento (expediting): Acelerar a ordem de produção pelo aumento de sua prioridade para manter o programa válido ou para atender a necessidade específica.
7. Carregamento de oficinas (shop loading): Definição dos roteiros e programação das tarefas dentro de uma fábrica, ou seção de um sistema produtivo.
Estas decisões são norteadas por regras de prioridade que possibilitam a construção de diferentes sequências de operações em máquinas, gerando-se, assim resultados diferentes nos indicadores de desempenho do processo produtivo. Para alguns problemas específicos, essas regras geram soluções ótimas, mas de forma geral, são métodos heurísticos que em sua simplicidade, não garantem a otimização completa do problema da programação da produção.
Destacam-se como regras de sequenciamento ou liberação (dispatching): o FIFO (First in, First Out), onde as primeiras encomendas recebidas serão processadas antes; LIFO (Last in, First Out), onde as últimas encomendas serão processadas antes; Menor data de entrega, onde a encomenda que deve ser entregue primeiro é processada antes; Menor tempo de processamento primeiro, onde é processada primeiramente a atividade que ficará menor tempo na linha de produção, entre outras regras que serão observadas mais adiante nesta subseção.
A seguir, a tabela 2.1 apresenta algumas das regras mais usuais. Vale lembrar que na tentativa de obtenção de melhores resultados dentro do chão de fábrica, é possível aplicar mais de uma regra simultaneamente.
Tabela 2.1 – Regras usuais para sequenciamento de tarefas. Fonte: Lustosa et al., 2008).
SIGLA ESPECIFICAÇÃO DEFINIÇÃO PRIORIDADE DAS ORDENS DE PRODUÇÃO
PEPS
FIFO
Primeira a entrar, Primeira a sair
First In First Out
Na mesma ordem de chegada na máquina (Obtém-se uma variedade desta regra, considerando-se a ordem de chegada na máquina).
Prioridade às ordens (clientes) que chegarão antes. Busca minimizar a variância do tempo de permanência na máquina (ou na fábrica)
MTP
SPT
Menor Tempo de Processamento
Shortest Process Time
Em ordem crescente de tempo de processamento no recurso
Prioridade às ordens de menor tempo, propiciando uma redução das filas e aumento do fluxo
MDP
EDD
Menor Data Entrega
Earliest Due Date
Em ordem crescente de prazo de entrega prometido
Prioridade às ordens mais urgentes, visando reduzir atrasos
MF
LS
Menor Folga
Least Slack
Em ordem crescente de folgas (data prometida menos tempo total de processamento)
Idem
MFD Menor Folga Dinâmica Idem, considerando apenas o tempo total restante de processamento
Idem, um pouco mais complicada de aplicar que a versão estática
MFA Menor Fila Adiante Próxima ordem é aquela com destino à estação com menor fila no momento
Busca evitar a parada de um processo subsequente. RC CR Razão Crítica Critical Ratio RC=Tempo remanescente
Executar a tarefa com menor RC. Se a RC de alguma tarefa for negativa (i.e.tarefa atrasada) executar a atrasada de menor tempo de processamento
Regra dinâmica que procura combinar a MDP, que considera apenas a data prometida, com a MTP, que considera apenas o tempo de processamento
Para o problema proposto neste estudo, que trabalha com sistema de produção intermitente será utilizada a regra FIFO (First in, First Out). Procurando minimizar o tempo de permanência no molde e a ocupação do posto de trabalho gargalo.
2.4.2 Previsão e Planejamento de Demanda
De acordo com Lustosa et al. (2008), existem dois tipos principais de situações de demanda: a pontual e a repetitiva. A demanda pontual caracteriza-se pela presença de um pico de demanda concentrado em algum lugar no tempo, o qual, na sequência do tempo, desaparece ou diminui significativamente. A demanda repetitiva caracteriza-se pela presença de picos cíclicos de demanda.
Dentro do escopo de demanda repetitiva, há a classificação de itens com demanda dependente e a independente. No primeiro, a demanda de um item depende de outro produto, e no segundo utiliza-se o conceito de ciclo de vida do produto, que representa a evolução típica das vendas de um produto ao longo do tempo. Essa variação de demanda de um item independente pode ser estacionária ou com tendência. No caso estacionário, observam-se algumas variações aleatórias nas vendas, porém há um patamar de demanda constante ao longo do tempo. Por outro lado, a demanda com tendência exibe crescimento (ou redução) sistemático, típico da fase de crescimento (ou declínio) das vendas.
Outro aspecto que pode caracterizar a demanda é a sazonalidade, que consiste em oscilações regulares da demanda ao longo do ano ou “ciclo sazonal” (LUSTOSA et al., 2008). Desta forma, destacam-se quatro diferentes padrões de demanda independente, conforme figura 2.4 a seguir.
Figura 2.4 - Tipos e padrões de demandas. Fonte: Lustosa et al. (2008).
Do ponto de vista do PCP (Planejamento e Controle da Produção), as previsões de demanda são utilizadas nas decisões referentes ao planejamento dos recursos de produção (planejamento de capacidade), às metas de produção e estoques (planejamento agregado de produção) e às prioridades de produção e expedição de produtos (programação e controle da produção). A figura 2.5 apresenta informações de demanda em relação ao horizonte de previsão abordado.
Figura 2.5 - Previsão de demanda no planejamento da produção. Fonte: Lustosa et al. (2008).
Como o processo de planejamento é dinâmico, com necessidade de revisão periódica dos planos, o processo de previsão também deve ser repetido,
Demanda Anual por Tipo de Produto e
Mercado Demanda Mensal para os próximos 12 meses por Família de Produto Demanda Atual e Pedidos de Produtos (ítem, mês corrente) Planejamento da Capacidade de Produção e Logística Planejamento Agregado da Produção e Estoques Programação da Produção e Estoques Necessidade de Previsão Processo de Decisão Nível Estratégico Tático Operacional
ciclicamente, gerando-se informações atualizadas conforme a necessidade do planejamento.
Conhecidas as formas de estratégia de produção, torna-se oportuno expor funções ligadas ao setor de produção, conforme seções 2.5 e 2.6 a seguir apresentadas.
2.5 ALOCAÇÃO DOS RECURSOS
Conforme figura 2.6, anteriormente apresentada, as decisões de médio prazo (nível tático) não possuem detalhamentos quanto a recursos utilizados no chão de fábrica e datas de produção. É usual agrupar os produtos em famílias, os recursos em centros de manufatura ou centros de trabalho ou serviços, e o tempo em meses, anos. Dentre as ferramentas utilizadas para repassar à produção as decisões de médio prazo destacam-se o plano de produção e o plano de compras, gerando-se assim informações de entrada para a execução do que deve ser produzido.
As decisões de produção e estoques de curto prazo (nível operacional) exigem um maior detalhamento que os níveis anteriores. São decisões que normalmente são tomadas por um supervisor/responsável do chão de fábrica. Se estas decisões forem planejadas de maneira correta gera-se um menor número de falhas (ou atrasos) dentro do processo produção. Estas falhas podem se propagar para os demais níveis do processo, causando efeitos difíceis de serem contornados, como por exemplo, atrasos nos prazos de entrega dos produtos finais.
Na figura 2.6 ilustra-se um exemplo de propagação de uma falha. Nesta situação da figura existem diferentes atividades que dependem ou não umas das outras para a manufatura de um determinado produto. No eixo vertical, estão listadas as tarefas que devem ser executadas para a produção do produto inteiro e a sequência como estas tarefas devem ser processadas. Por exemplo, a tarefa TB1-3/02 (destacada em vermelho), deve ser executada antes da tarefa TB2-2/02, que por sua vez deve ser executada antes da tarefa TB3-1/03. No eixo horizontal, é ilustrado o tempo que cada operação leva para ser executada (unidades temporais u.t.). Ao ocorrer algum atraso no início da execução de uma tarefa devido a, por exemplo, falta de material ou quebra de máquina ou ainda sequenciamento inadequado, deve-se verificar o quanto este atraso impacta na execução de todas as
outras tarefas que dependem da data de início da atividade atrasada. Este atraso pode impactar na data de entrega do produto acabado ao cliente final.
Figura 2.6 – Exemplo da propagação de uma falha (vermelho sobre as demais etapas de fabricação de um produto. Fonte: Rodrigues e Magatão (2006).
Dentro do estaleiro náutico abordado no presente trabalho observa-se uma dificuldade em programar as atividades operacionais de curto prazo, mesmo com a experiência do responsável por tomar as decisões de planejamento e sequenciamento. Assim, via de regra, ocorrem falhas dentro do processo de programação da produção e do sequenciamento dos itens/partes que devem ser priorizados dentro da produção. Estas falhas ocasionam uma perda de eficiência no uso de máquinas/postos de trabalho e excessos/folgas de pessoas dentro do processo produtivo. Geram-se, em determinados momentos, ociosidades de recursos (postos de trabalho/trabalhadores) e atrasos na entrega do produto final. Adicionalmente, é necessária a utilização de um elevado número de horas-extras a fim de recuperar o tempo perdido pelas falhas na programação.
Embora o planejamento de curto prazo dependa muito do tipo de sistema de produção, existem diferentes abordagens destes problemas. É possível definir o planejamento e a programação da produção em duas etapas segundo Pinto et al. (2007):
I) Emissão de ordens de fabricação e compras – definição dos itens e quantidades a serem fabricadas e compradas (matéria-prima, itens intermediários, e itens finais), a partir do plano de produção e plano de compras; 0 10 40 u.t. TB1-3/ 01 a 03 TB2-2/ 01 a 03 TB3-1/ 01 a 07
II) Programação da produção e compras – determina quando cada ordem de fabricação e compra será processada, em função de objetivos e restrições do sistema.
As duas etapas são alimentadas pelo apontamento (quantidade produzida) de produção e pelo controle de estoques. Eventualmente o controle de estoques é um indicador responsável por mostrar que o que foi planejado, não foi realizado no período, tornando necessárias correções na programação. Dependendo do processo produtivo, os maiores ganhos obtidos em uma programação correta e eficiente são do processo gargalo.
A programação de um processo não gargalo gera ganhos localizados, possibilitando maior utilização dos recursos, porém não há maior volume de produção. Contudo, independentemente de recursos gargalos ou não-gargalos, conforme sugerido por Rodrigues e Magatão (2006), o uso de uma abordagem de solução baseada em modelos matemáticos de otimização tende a minorar as falhas nas decisões operacionais de curto prazo, contribuindo para a eficácia do sistema produtivo. As subseções 2.6 e 2.7 apresentam conceitos de base de modelos matemáticos, principalmente no contexto do trabalho abordado.
2.6 CONCEITOS DE BASE DE PROGRAMAÇÃO MATEMÁTICA
Segundo Goldbarg e Luna (2000), o campo da Programação Matemática é amplo e suas técnicas consagraram-se em face à sua grande utilidade na solução de problemas de otimização. Em virtude das várias peculiaridades inerentes aos diversos contextos de programação (planejamento), os métodos de solução sofreram especializações e particularizações. Algumas técnicas de solução que estão agrupadas em subáreas como PL (Programação Linear), PNL (Programação Não Linear), PI (Programação Inteira) e PLIM (Programação Linear Inteira Mista).
Segundo Dantzig, (1963) a programação linear é uma das mais importantes e mais utilizadas técnicas de Pesquisa Operacional. Essa técnica é amplamente utilizada, pois viabiliza a modelagem de problemas importantes e complexos de decisão, gerando soluções rapidamente. O problema geral de Programação Linear é
utilizado para melhorar (maximizar ou minimizar) uma função linear de variáveis, sujeita a uma série de equações ou inequações lineares chamdas de restrições.
Assim de maneira simplificada, um problema de PL é composto por (GOLDBARG e LUNA, 2000):
1) Uma função linear formada com variáveis de decisão chamada de “função objetivo (z)”, cujo valor deve ser otimizado;
2) Relações de interdependência entre as variáveis de decisão que se expressam por um conjunto de equações ou inequações lineares, chamadas de restrições do modelo;
3) Variáveis de decisão que, via de regra, devem ser positivas ou nulas.
A Programação Inteira (PI) é utilizada quando alguns problemas requerem o uso de variáveis que assumem valores inteiros. Quando isso acontece tem-se um problema de Programação Inteira. Este problema pode ser caracterizado por meio da formulação a seguir apresentada:
Maximize (ou minimize) ) ,..., , ( 1 2 0 x x xn g z= Sujeito a (s.a.) } ,..., 2 , 1 { , ) )( ,..., , (x1 x2 x ou ou b i M m g z= i n ≤ = ≥ i ∈ = } ,..., 2 , 1 { , 0 j N n xj ≥ ∈ = N I j xj inteira, ∈ ⊆
No qual xj,para j∈N, são as variáveis e gi,para i∈ M∪{0}, são funções
das variáveis x1,x2,...,xn e bi,i∈M, são constantes conhecidas. Se I =N , isto é, todas as variáveis são inteiras, então o problema é dito PI. Caso contrário, se I ⊂N, então chama se de problema de Programação Inteira Mista (PIM).
Em muitos problemas abordados em PI, as funções gi,para i∈ M∪{0},são
lineares e o modelo pode, então, ser descrito como mostra a formulação a seguir: Maximize (ou minimize)
∑
∈ = = N j j jx N n c z , {1,..., } Sujeito a∑
∈ = ∈ = ≥ ≤ N j i j j i x ou b i M M a ( , ) , {1,..., } N j xj ≥ ,0 ∈ N I j xj inteira, ∈ ⊆Onde xj são variáveis não negativas e cj,aij,bi são constantes conhecidas,
para todo i e j. Se I =N , isto é, todas as variáveis são inteiras então temos um problema de Programação Linear Inteira (PLI). Se I ⊂N, então o problema é de Programação Linear Inteira Mista (PLIM).
Em alguns modelos práticos de PLI existem restrições para algumas variáveis inteiras para assumirem somente valor “0” ou “1”. Neste caso, tem-se um problema de Programação Linear Inteira Binária (PLIB). Utilizam-se estas variáveis para tomadas de decisão, por exemplo: sim, quando a variável assume valor (“1”) e não quando a variável assume valor (“0”).
Existem muitos problemas de programação da produção (scheduling) que podem ser abordados como problemas de Programação Linear Inteira Mista, pois os modelos matemáticos de otimização correspondentes envolvem variáveis contínuas e discretas que devem satisfazer um conjunto de restrições lineares de igualdade e desigualdade (MORO, 2000).
A resolução de modelos de Programação Linear Inteira Mista, entendida como a obtenção de uma solução ótima, pode ser difícil, pela natureza combinatória do processo de obtenção de solução dos modelos gerados. Segundo Williams (1999), a resolução de modelos com variáveis inteiras ainda não possui um algoritmo com desempenho similar ao Simplex (DANTZIG, 1963), utilizado na resolução de PL. Ainda de acordo com Williams (1999), é comum construir modelos com variáveis inteiras somente para descobrir que a carga computacional para resolvê-los é proibitiva. Assim, abordagens que explorem características do problema abordado com o intuito de diminuir a carga computacional inerente de modelos de PLIM são relevantes.
De maneira simplificada, diferentes abordagens de solução têm apresentado desempenhos superiores para diferentes classes de problemas envolvendo variáveis inteiras, geralmente explorando estruturas e características peculiares. O método
branch-and-bound (Nemhauser e Wolsey,1988) tem se mostrado como um dos mais utilizados para a resolução de modelos PLIM. Em suma, este método inicialmente relaxa as restrições de integralidade das variáveis inteiras e soluciona o modelo original como sendo um modelo de PL. Se a solução relaxada não violar as restrições de integralidade, a solução é ótima. Caso contrário, precede-se a construção de uma árvore de enumeração.
O método branch-and-bound realiza um sucessivo particionamento do espaço de soluções válidas até encontrar a melhor solução inteira (se existir) e provar a sua otimalidade.
O desenvolvimento de algoritmos especializados para a resolução de modelos de PLIM está muito além do escopo da presente dissertação. Ao invés disso, faz-se o uso de ferramentas comerciais como, por exemplo, o solver IBM CPLEX (IBM, 2011).
2.7 PROGRAMAÇÃO MATEMÁTICA APLICADA AO PLANEJAMENTO AGREGADO DE PRODUÇÃO
O desenvolvimento da presente subseção baseia-se nos estudos realizados por Pinto et al. (2007) e em Lustosa et al. (2008). De acordo com esses autores, no setor metal-mecânico e em estaleiros de produção seriada, em geral, as atividades de planejamento de médio prazo estabelecem algumas metas a serem atingidas na programação de curto prazo, tais como prazos de entrega de produtos e quantidades a serem produzidas.
Os processos produtivos trabalham com lotes de produção, os quais orientam a execução das tarefas nos postos de trabalho. Entretanto, estas metas de médio prazo são, em geral, estabelecidas dentro de uma visão temporal agregada, o que pode impor indicadores difíceis de serem cumpridos no nível operacional. Além disso, devem-se considerar também atividades de manutenção, quebra de equipamentos, modificação dos pedidos dos clientes, entre outros, exigindo-se alterações no plano de produção.
Desta forma, a programação no chão de fábrica deve ser flexível para poder atender aos requisitos impostos pelas decisões de médio prazo e, ao mesmo tempo, incorporar algumas dessas eventuais situações operacionais. Com isso, uma
decisão tomada por um setor pode impactar o trabalho de diversos outros setores.
2.7.1 Planejamento Agregado de Produção e Estoques
Em uma empresa com modelos de produção contínuo ou intermitente, várias decisões devem ser tomadas a fim de melhorar o desempenho operacional. Destacam-se decisões de quanto produzir, estocar, contratar e horas-extras. Torna-se esTorna-sencial que as decisões de curto prazo Torna-sejam boas, para que as decisões de médio prazo tenham sucesso.
Para encontrar uma solução que obtenha sucesso, é recomendável o uso de Programação Matemática no planejamento agregado, especificamente, trabalhar com a modelagem de Programação Linear (PINTO et al., 2007). Em se tratando de programação da produção e estoques, um problema de modelagem de Programação Linear consiste basicamente em definir quais serão as variáveis de decisão, ou outputs (produção, estoque, homem-hora, horas-extras, contratações, demissões em determinado período), e quais os parâmetros do modelo, inputs (demanda por período, custos de produção, de estoques, de homens-hora, de horas-extras, etc.).
Torna-se necessário formular a função objetivo, por exemplo, maximizar ocupação de postos de trabalho, minimizar custos e maximizar o lucro. Além disso, é necessário inserir as restrições do modelo, como, atendimento obrigatório de demanda, capacidade máxima de estocagem, máximo de homens-hora por período, conforme ilustrado na figura 2.7.
